Plan. Physique - Optique et applications pour la Synthèse d Images. IUT StDié. Introduction. 1. Nature et propagation i. de La la lumière lumière

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1 Physique - Optique et applications pour la Synthèse d Images IUT StDié Cours niveau Licence Optique v Stéphane Gobron Plan Introduction 2. Image, réflexion et réfraction 4. Interférences et diffractions Référence / conclusion / discussion 1 2 Introduction i. La lumière Introduction 1. Nature et propagation i. de La la lumière lumière 2. Image, réflexion et réfraction ii. Une source, plusieurs effets 4. Interférences et diffractions Référence / conclusion / discussion 3 4

2 Introduction ii. Une sources, plusieurs effets Introduction ii. Une sources, plusieurs effets E.g. le soleil E.g. le soleil Lumière et synthèse d images Introduction 2. Image, réflexion et 1.1 réfraction Lumière et synthèse d images 3. Lentilles et instruments 1.2 Nature optiques et source 4. Interférences et diffractions 1.3 Vitesse et longueur d'onde Référence / conclusion 1.4 Onde, / discussion rayon et front d'onde 7 8

3 1.2 Nature et source 1.3 Vitesse et longueur d'onde (1/2) Nature de la lumière Radiation électromagnétique dont la longueur d onde est très petite (Maxwell en 1873) Propriété particulaire (20 e siècle) Sources de lumière Émission de radiation électromagnétique par : Corps chaud Décharge électrique dans un gaz Cas particulier du laser : longueur d onde constante 9 Célérité de la lumière (Vitesse) 1e calcul en 1676 par Olaf Roemer 1 Dans le vide : c m s (env. 300 mille km/s) Permittivité de l'espace 0 : Perméabilité de l'espace 0 : A noter : ceci n'est pas une approximation!!! 1 0 c N. s. 0 C Vitesse et longueur d'onde (2/2) 1.4 Onde, rayon et front d'onde Exercice (a) Onde et front d onde (i.e. propagation de) Se basant sur les données précédant, calculer la meilleure approximation de la permittivité de l'espace (qui est une constante bcp utilisée en électronique) 0, sans omettre son unité de mesure! 11 12

4 Introduction 2. Image, réflexion et réfraction 3. Lentilles et instruments 2.1 Indice optiques de réfraction 4. Interférences et 2.2 diffractions Loi de Snell-Descartes Référence / conclusion 2.3 Dispersion / discussion 2.4 Polarisation 2.1 Indice de réfraction Propagation de la lumière Dépendance du matériaux dans laquelle elle évolue Indice de réfraction n (pas d'unité puisque coéf.) Glace : 1,309 Diamant : 2,417 Verre : 1,50 Eau : 1,333 Dans un matériaux m, la lumière a une vitesse v m et longueur d onde m tel que : c 0 vm m 2.5 Images formées par une surface 13 nm nm Loi de Snell-Descartes 2.1 Loi de Snell-Descartes Applications Loi de réfraction n a sin n a Trois rayon Incident (a) Réfléchi (b) Réfracté (c) b sin (a) b a a (b) Exercice (36-1) Dans un verre rempli d eau un rayon de lumière traverse la paroi en verre selon un angle de 30 par rapport à la surface. (a) Trouver la direction du rayon réfléchi (b) Trouver la direction du rayon réfracté b (c) 15 16

5 2.1 Loi de Snell-Descartes Applications 2.2 Dispersion Exercice (36-1 ) Un rayon de lumière arrive sur la paroi d un diamant selon un angle = 80 par rapport à la normale. (a) Trouvez les directions des rayons réfléchi et réfracté; (b) Le rayon est à présent dans le diamant. En partant du principe que reste inchangé, répondez une nouvelle fois à la question (a). 17 Longueur d onde lumière blanche : de 380 à 780 nm n varie selon la longueur d onde (nm) ~ ~ ~ ~ ~ ~ (nm) rouge orange jaune vert bleu bleu marine violet Dispersion 2.2 Dispersion Exemples Exercice (36-1 ) Expliquez schématiquement comment les arcs-enciel fonctionnent

6 2.3 Polarisation "Vibration" de la lumière 2.3 Polarisation Schématiquement Polarisation Lumière polarisée : qui a été traitée de façon à vibrer uniquement dans un seul plan Changement des caractères ondulatoires des rayons lumineux : saturation des tons et des angles marqués Polarisation Expériences (a) POLARISEUR 2.3 Polarisation Intensité I max après un filtre polarisant d'une lumière naturelle --donc non polarisée-- d'intensité I 0 (b) 1. Polariseur 1 2. Polariseur 2 (dit "analyseur") 23 I max Intensité modifiée par l angle entre 2 polariseurs (Loi de Etienne Malus 1809) 2 I I max cos I0 2 I I 0 cos

7 2.3 Polarisation Exercice (36-2) 2.4 Images formées par une surface Réflexion sur une surface plane Se basant sur la figure 2-3(b), avec une lumière incidente d intensité I 0, trouver l intensité transmise par le premier filtre puis par le second si l angle est de y y s s Distance à l objet s, distance à l image s s s' Grossissement y' m 1 y Images formées par une surface Réflexion sur une surface sphérique 2.4 Images formées par une surface Réflexion sur quelques surfaces courbes r r r : rayon P C s P s s s' r y r r P C P r : rayon y m y' s' y s 27 28

8 2.4 Images formées par une surface 2.4 Images formées par une surface F & F : Foyer de l ellipse Images formées par une surface 2.4 Images formées par une surface Exercice (37-1) Exercice (37-2) Un miroir forme l image d une bougie située à 10 cm sur un mur à 3 m du miroir. (a) Le miroir est-il plat ou courbe? (b) Quel est son rayon? (c) Le miroir est-il convexe ou concave? (d) Si la hauteur de l objet est de 5 mm, quel est la hauteur de son image? 31 Soit un miroir concave de rayon 20 cm. (a) A l aide de figures trouver graphiquement l image d une bougie se trouvant à 30, 20, 10 et 5 cm ; (b) Vérifier les constructions en calculant les positions et magnitudes. 32

9 Introduction 2. Image, réflexion et réfraction 4. Interférences et diffractions 3.1 Lentilles Référence / conclusion / 3.2 discussion Méthodes graphiques 3.3 Exemples d instruments 3.1 Lentilles Deux classes de lentilles Lentilles convergentes Lentilles divergentes Lentilles Types de lentilles 3.1 Lentilles Convergentes Trois types par classe de lentilles Lentilles convergentes Ménisque Plane convexe Double convexe Lentilles divergentes Ménisque Plane concave Double concave 35 Soit f la distance focale Distance focale, objet, image et grossissement : s s' f s' m s 36

10 3.2 Méthodes graphiques 3.2 Méthodes graphiques Tracer les chemins parcouru par les rayons suivants Rayon parallèle à l axe Rayon qui passe par le centre de la lentille Rayon qui passe par le 1 e point focal Exercice (38-1) Soit une lentille convergente de distance focale 20 cm. (a) Trouver graphiquement la position des images d un objet situé respectivement à 50, 20, 15 et -40 cm ; (b) Calculer le grossissement pour chaque cas ; (c) Vérifier vos résultats par le calcul Exemples d instruments L œil Oeil «normal» 3.3 Exemples d instruments L oeil Myopie Avec l age : distance à l objet minimum 10 ans 7 cm Hypermétropie Astigmatisme 40

11 3.3 Exemples d instruments L oeil 3.3 Exemples d instruments L oeil Exercice (38-3) Exercice (38-4) Le point le plus proche d un œil hypermétrope est 1 m. Le point le plus éloigné d un œil myope est 1 m. (a) Quelle type de lentilles devront être utilisées pour voir net à une distance de 25 cm? (b) Avec quelle focale? (a) Quelle type de lentilles devront être utilisées pour voir net à l infini? (b) Avec quelle focale? Exemples d instruments Appareil photo, caméra et projecteur 3.3 Exemples d instruments Microscope, télescope 43 44

12 Introduction 2. Image, réflexion et réfraction 4. Interférences et diffractions Référence / conclusion 4.1 / Sources discussion cohérentes 4.2 Interférences à deux sources 4. Interférences et diffractions 4.1 Sources cohérentes Phénomènes d interférences et de diffraction Nature ondulatoire de la lumière Lumière monochromatique Même longueur d onde / fréquence Laser Presque monochromatique Superposition Idée de base pour l interférence et diffraction Sources cohérentes Relation de phase Interférences et diffractions 4.2 Interférences à deux sources 4. Interférences et diffractions 4.2 Interférences à deux sources Young s Expérience Analyse d. sin r Observation d r 1 Résultats P Si P est à la m éne frange lumineuse alors r 2 y m 47 r r 1 2 d sin m avec m 0, 1, 2, 3,... y m m r d 48

13 4. Interférences et diffractions 4.2 Interférences à deux sources Exercice (39-1) Voici les données obtenue lors d une expérience sur les interférences : Distance de 0,2 mm entre les deux fentes ; Distance a l écran de 1 m ; La troisième raie lumineuse est à 7,5 mm du centre. (a) Quel type de lumière a-t-on utilisé? (b) Quel est sa longueur d onde? (c) Trouver. Introduction 2. Image, réflexion et réfraction 4. Interférences et diffractions Référence / conclusion / discussion Conclusion Révision couvrant une large palette de phénomènes Différents types de lumière Nature et comportement Notions de Réflexion, réfraction, interférence, diffraction Expériences Instruments optiques Une douzaine de types d exercice Références (1/2) Publications utilisées dans ce cours F.Sears, M.Zemansky, H.Young, University Physics, seventh edition, Addison-Wesley (1986) Sites Remerciements A tous les étudiants 51 52

14 Questions / discussion 53